CC BY
26полностью волоконный газовый рамановскии
лазер с длиной волны генерации 4.4 мкм
*
Астапович М.С., Гладышев А.В. , Худяков М.М., Косолапов А.Ф., Лихачев М.Е.,
Буфетов И.А.
Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва * E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16120
Источники лазерного излучения с длиной волны генерации более ~2.5 мкм востребованы для многочисленных практических приложений, таких как биомедицина, газоанализ, детектирование и обработка материалов. Особый интерес представляют лазеры, способные генерировать высокую выходную мощность и при этом обеспечивать высокое оптическое качество выходного пучка. Перспективным подходом к созданию таких лазеров является использование револьверных световодов с полой сердцевиной (СПС), заполненной различными дипольно-активными или комбинационно-активными газами. Благодаря сильной локализации излучения в полой сердцевине, револьверные СПС позволяют получать низкие оптические потери в среднем ИК диапазоне, даже если оболочка световода изготовлена из кварцевого стекла. На сегодняшний день на основе кварцевых СПС продемонстрирован целый ряд газовых волоконных лазеров (ГВЛ), в том числе рамановских, генерирующих на длинах волн от 2.8 до 4.6 мкм [1-5]. Однако, конструкция указанных лазеров опирается на использование объемных элементов для ввода излучения накачки в полый световод. Таким образом, теряются такие преимущества волоконных лазеров как компактность, надежность конструкции и отсутствие механических юстировок.
В данной работе впервые продемонстрирован полностью волоконный газовый рамановский лазер среднего ИК диапазона. Благодаря сварному соединению волоконного выхода лазера накачки и револьверного СПС, заполненного водородом, реализован свободный от механических юстировок ГВЛ, генерирующий наносекундные импульсы на длине волны 4.42 мкм с выходной средней мощностью 360 мВт и квантовой эффективностью 46 %. При этом параметр качества пучка составил М2 = 1.4.
Рис. 1. (а) Схема экспериментальной установки. (б) Зависимости средней выходной мощности полностью волоконногорамановского ГВЛ от введенной средней мощности накачки. Представленные зависимости измерены как на длине волны накачки 1.56 мкм (черные квадраты) так и на стоксовой длине волны
4.42 мкм (красные точки)
Конструкция рамановского ГВЛ схематично показана на рис. 1а. В качестве источника накачки использовался эрбиевый волоконный лазер, генерирующий на длине волны 1.56 мкм импульсы длительностью 2 нс и частотой повторения 75 кГц. Средняя выходная мощность лазера накачки составляла 5 Вт, что соответствует пиковой мощности 33 кВт. Выходной торец волоконного лазера накачки подваривался к входному торцу револьверного СПС с помощью специально разработанной программы на сварочном аппарате S175). Не смотря на существенно различающиеся диаметры полей мод твердотельного и полого световодов (20 и 55 мкм, соответственно), удалось достигнуть частичного согласования мод свариваемых световодов, за счет формирования в области стыковки
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
239
конусной перетяжки. В результате оптические потери на сварке составили ~3 дБ и оставались стабильными во всем диапазоне используемых давлений газа в полом световоде (1 - 60 атм). При этом сварка надежно обеспечивала герметичность и механическую прочность соединения.
В качестве активной среды рамановского ГВЛ использовался кварцевый револьверный СПС, заполненный водородом до давления 50 атм. Длина световода составляла 3.2 м, диаметр поля моды равнялся 55 мкм. Измеренные оптические потери составили менее 0.1 дБ/м на длине волны 1.56 мкм, и ~1.1 дБ/м на длине волны 4.42 мкм.
Порог рамановской генерации наблюдался при введенной пиковой мощности накачки ~8 кВт (средняя мощность 1.2 Вт), что хорошо согласуется со значением порога, полученным нами ранее в рамановском лазере с объемным вводом накачки [4]. Выше порога генерации средняя выходная мощность ГВЛ растет линейно с введенной мощностью накачки (рис. 1б, красные точки). Максимальная средняя мощность на длине волны 4.42 мкм составила 360 мВт при введенной мощности накачки 2.3 Вт. Таким образом, квантовая эффективность преобразования 1.56—>4.42 мкм составила 46 %, что близко к теоретическому пределу (55 %), определяемому уровнем оптических потерь кварцевого револьверного СПС на стоксовой длине волны. Повышение введенной мощности накачки до значений более 2.3 Вт приводит к снижению выходной мощности рамановского ГВЛ. Этот эффект требует дальнейшего исследования и может быть связан как с выделением тепла в точке сварки когда лазер работает в режиме высокой средней мощности, так и с возникновением конкурирующего нелинейного процесса - возникновения рамановской генерации на вращательных переходах молекул водорода (1.56—1.72 мкм). Измерения диаметра выходного пучка как функции расстояния от выходного торца рамановского лазера позволили оценить параметр качества пучка на длине волны 4.42 мкм, который составил М2 = 1.4.
Таким образом, впервые создан полностью волоконный газовый рамановский лазер, реализующий однокаскадное преобразование 1.56—4.42 мкм в револьверном СПС, заполненном молекулярным водородом. Квантовая эффективность преобразования составила 46 % при средней выходной мощности 360 мВт на длине волны 4.42 мкм. Измеренный параметр качества пучка составил М2 = 1.4. Полученные результаты демонстрируют перспективность ГВЛ для создания компактных, надежных и эффективных лазеров среднего ИК диапазона, потребность в которых диктуется многочисленными применениями.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ (№ 19-12-00361).
Литература
1. Cao L, et al, Opt. Express 26(5), 5609-5615 (2018)
2. Gladyshev A. V., et al, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 24(3), 1-8, Art no. 0903008, (2018)
3. Xu M., et al, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, 24(3), 1-8, Art no. 0902308 (2018)
4. Astapovich M. S, et al, IEEE Photonic. Tech. Lett., 31(1), 78-81 (2019)
5. Aghbolagh F. B. A., et al., Opt. Lett. 44, 383-386 (2019)
240 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
